南照電力灌溉站拆除重建工程設計和施工

李 丹

(潁上縣水利建筑安裝工程公司，安徽 阜陽 236200)

灌溉站對農業生產具有重要的意義，保障該設施的正常運行具有必要性[1-2]。南照電力灌溉站是南照灌區主要樞紐工程之一，是潁上縣灌溉骨干工程。土建部分主要由上游攔污閘、進水前池、泵房、出水涵及出口控制閘等結構組成。南照站共裝潛水泵2臺，配電機6臺，未知型號電機2臺。水泵和電機的最早出產時間為1976年。設計灌溉流量4.4 m3/s，設計進水位17.50 m，設計出水位29.50 m，設計灌溉面積3000 hm2。泵站多年帶病運行，目前無法滿足灌溉需要。泵站設計為球殼淹沒式，站前無檢修閘，僅在水泵進水管設有檢修閘閥，因年久失修，閘閥漏水，高水位無法進行正常的機修維修養護，造成機組無法保證正常運行，急需更新改造。

1 重建工程相關參數及方法研究

1.1 工程規模和主要設計參數

南照電灌站位于南照鎮大寺社區，工程始建于1975年，1996年技術改造。目前安裝機組8臺(套)，其中6臺20H-28型水泵配套JS117-6型電動機，2臺600HDB-50潛水泵，總裝機容量1000 kW。設計灌溉流量4.4 m3/s，設計進水池水位17.5 m，設計出水池水位29.5 m，最枯水位17.5 m，灌溉面積約3000 hm2。根據對南照灌溉站的安全鑒定評價，該泵站為四類泵站，本次擬拆除重建。潁上縣南照站拆除重建工程主要為南照灌區的站首工程，其相應的規模應與2019年改造后的南照灌區相一致，南照灌區改造后恢復其灌溉面積3666.67 hm2。

工程的主要設計參數包括：設計流量、特征水位、特征揚程[3]。在工程設計的設計流量中，灌溉設計流量指該保證率下的灌區內某一時期最大灌溉用水流量。項目區灌溉設計保證率為85%，對水稻，最大的一次灌水是在泡、整田期用水，參考《安徽省行業用水定額》(DB34/TG 9—2019)和相關資料，水稻的泡田凈定額為1050～1425 m3/hm2，考慮項目區既有水稻又有旱作物，凈定額取1050 m3/hm2，相應的灌溉設計流量Q計算如式(1)：

(1)

式中：m為最大一次灌水定額，取1050 m3/hm2；A為灌溉面積，取3 666 367 hm2；T為輪灌天數，取12 d；t為水泵每天工作時間，取22 h；η為渠系水利用系數(一般大型灌區采用0.55，中型灌區采用0.65，小型灌區取0.75)，取0.65?？紤]本次設計的灌溉渠道灌溉面積較小，參照潁上縣灌區設計相關資料，本次設計灌溉模取15 m3/(s·萬hm2)，設計流量為5.5 m3/s。

1.2 泵站規劃參數

泵站在機組設備選型、布置時遵循以下原則：(1)泵站揚程在6.5 m或以上時，原則上選擇混流泵，低于6.5 m的選擇軸流泵。對于進水池防洪水位較高，泵軸較長需加中間軸承的泵站，原則上優選潛水電泵。(2)裝機臺數和單機功率經技術經濟比較后選擇，泵站臺數按3～6臺選取。(3)電機的配套功率按不小于水泵最大軸功率的110%考慮，并考慮傳動機構效率。(4)水泵的設計揚程按規劃設計凈揚程加上損失揚程確定。在設計揚程工況下，考慮留有適當余量，泵站不考慮設備用泵。選型時水泵的設計揚程一般位于模型性能曲線圖高效區略偏上，以使平均揚程時水泵能在高效區運行，并兼顧到最高與最低揚程時水泵應能安全、穩定運行。(5)水泵在長期運行中，泵站效率較高，能量消耗少，運行費用較低；按所選的水泵型號和臺數建站，工程投資較少；便于安裝、維修和運行管理。

在進行泵型選擇時，需要確定水泵的型式和臺數。由于本站設計凈揚程10.7 m，灌溉流量5.50 m3/s，據本站流量揚程特點，適合選用的泵型為立式混流泵。立式泵又分為普通立式泵和立式潛水泵兩種。在技術上，這兩種泵的性能參數基本相同；在投資上，潛水泵土建投資稍有減少；運行維護上，潛水泵解體大修一般需要返廠，而普通立式混流泵的結構簡單，可靠性比較高，有比較成熟的運行和現場維修經驗。

因為引水需要流道底板較低，常規立式泵軸長超過制造廠允許值。在結構上電機與水泵采用長軸連接，存在安裝檢修不便及運行擺度大等無法避免的問題。潛水軸流泵在土建投資、電氣設備投資方面均較省，且潛水泵在施工要求、施工難度方面比立式泵簡單。綜上所述，本項目泵型推薦潛水泵。由于本工程泵站主要功能為灌溉，個別泵組檢修對工程運行影響不大，因此不考慮備用機組。本階段設計初擬3臺1000HDB-40型混流泵和4臺800HDB-40型混流泵進行方案比較，這2種水泵的性能曲線見圖1。

圖1 潛水混流泵性能曲線

1.3 施工圍堰

根據本區附近的周集、王家壩、潤河集、正陽關雨量站資料分析，本區多年平均降雨量為900 mm，降水量年內和年際變化都很大，汛期6—9月雨量占全年降雨量的60%以上。年降水豐枯變化頻繁，年降水量最大值是最小值的3.8倍。由于暴雨容易產生區內洪澇災害，其特點是降雨范圍小、歷時短、強度大。而對應外河水位高，持續時間長，對內水形成頂托，在洪水期區內往往形成外洪內澇的局面。因此在進行施工過程中需要進行圍堰處理。

為防止圍堰外水位抬高圍堰內兩側岸坡中地下水水位，圍堰位置宜離泵室較遠。本次選定下游圍堰中心線布置在末端20 m處。利用棄土在下游引渠與淮河月牙堤交界處填筑施工圍堰。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2017)和有關規范要求，潁上縣南照站拆除重建工程為Ⅲ等工程，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時工程5級；施工期洪水標準選用枯水期10 a一遇的水位或洪水流量。根據《水利水電工程圍堰設計規范》(SL 645—2013)圍堰級別應根據其保護對象、失事后果、使用年限和圍堰工程規模劃分，確定圍堰工程5級。

結合基坑開挖步驟，考慮到該圍堰的重要性及施工期間需要作為場內交通道路，外河側圍堰頂寬4 m。堰頂高程25.30 m，河底高程16.50 m，最高擋水位24.46 m，堰頂超高0.73 m，最大擋水深度8.0 m，堰體高度8.80 m。22.00 m高程處內坡設5 m平臺外坡設3 m平臺，22.00 m高程以上邊坡1∶3，22.00 m高程以下內邊坡1∶3外邊坡1∶4。擋水期淮河側水深較大，波浪沖刷頻繁，為保護堰體坡面，在淮河測鋪設雨布、壓土袋。根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2020)的規定，平均波高及平均波長采用莆田試驗站公式計算。圍堰頂高程的計算如式(2)：

(2)

式中：Lm為平均波長，m；g為重力加速度，m/s2；Tm為均波周期，s；H為壩迎水面前水深，m。為便于施工比較，施工時段有10月—次年4月、10月—次年3月、11月—次年4月、11月—次年3月，各施工時段的5 a一遇外河水位分別為25.20 m、25.20 m、23.96 m、23.96 m，10 a一遇外河水位分別為26.11 m、26.11 m、24.46 m、24.46 m。

1.4 工程環境影響預測與評價

施工過程需要考慮對周圍環境的影響，主要包括：水環境、環境噪聲、固體廢棄物的處理等。其中施工對水環境影響是本次研究主要關注的內容。工程施工期的水污染源主要包括混凝土養護及拌和系統沖洗廢水、機械設備沖洗含油污水、施工人員的生活污水等?；炷翝仓r將產生堿性廢水，澆筑1 m3混凝土約產生約0.35 m3堿性廢水，其pH值可達9～12。此外，混凝土拌和系統的轉筒和料罐的沖洗也將產生少量堿性廢水。堿性廢水如不經處理、隨意排放，將對周圍土壤產生不利影響，不利于跡地恢復；如直接進入淮河，將影響水質，因此需在混凝土拌和廠設置處理設施，對廢水進行處理。

本工程建筑施工混凝土澆筑強度較大，混凝土拌和與養護產生的廢水較多，同時還存在廢水排放不連續、懸浮物高等特點，因此本工程采用平流式沉淀池，利用自然沉淀的原理去除廢水中的懸浮物。由于廢水中pH值較高，可在沉淀池加適量的酸調節pH值至中性。根據施工總布置，在混凝土拌和站后采用矩形沉淀池，每臺班后的沖洗廢水排入池內，處理后的廢水可用于施工道路和場地灑水等。

含油廢水包括機械車輛維修、沖洗廢水，廢水中主要污染物成分為石油類和懸浮物。含油廢水隨意排放，會改變土壤結構，不利于施工跡地恢復；廢水若直接進入水體，在水體表面形成油膜，影響水質。因此施工區機械沖洗保養點需設置含油廢水處理設施，對含油廢水進行處理。為防止含油廢水對土壤環境和水環境的污染，對機械保養產生的廢水進行處理。由于各施工區機械數量較少，設置隔油池處理含油廢水，車輛沖洗、維修過程中的含油廢水通過場內設置的集水溝進入水處理裝置，廢水處理達標后排入附近荒地或者灑水降塵等，不可直接排入水體和農田，并對隔油池定期清理。

2 重建工程的相關評價結果研究

潁上縣南照站拆除重建工程灌溉流量5.5 m3/s，設計裝機4臺，總裝機1120 kW。工程等別為Ⅲ等，規模為中型。潁上縣南照站拆除重建工程前池及進水池、主泵房及副廠房、出口管道、出水池等主要建筑物為3級，進水引渠、出水渠等次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。主要工程量為：土方開挖19 469 m3、土方回填9468 m3、鋼筋混凝土及混凝土2461 m3、堆砌石108 m3、鋼筋144 t。

表1為南照電灌站運行設計參數表。本次設計灌溉模取15 m3/(s·萬hm2)。設計流量為5.5 m3/s。進水池設計水位，取值為19.00 m；進水池最低運行水位，取值為17.50 m；進水池最高水位，取值為29.01 m；進水池防洪水位，取值為28.02 m；出水池設計水位，取值為29.70 m；出水池最高運行水位，取值為29.70 m；出水池最低運行水位，取值為28.80 m，等。設計凈揚程為10.7 m，最低凈揚程為5.3 m，最高凈揚程為12.2 m。

表1 南照電灌站運行設計參數

表2為水泵技術、經濟綜合性能方案比較結果。從泵型方案主要參數表及圖1中的性能曲線看出，2個方案在流量、揚程等方面都能滿足規劃設計要求。方案一設計工況效率高，運行不靈活，總裝機功率較大，運行成本較高，金結和土建投資較大。方案二設計工況效率較高，運行工況基本位于高效區中心，運行較靈活；總裝機功率較少，土建投資較少。結合水工專業布置需求，綜合考慮，本站推薦方案二，即選用4臺800HDB-40型潛水混流泵。

表2 泵站機組選型方案比較

由式(2)的計算結果可知，采用的設計堰頂高程25.23 m?？紤]到該圍堰的重要性取堰頂高程25.30 m，擬定的圍堰斷面見圖2。圍堰滲流及滑動穩定計算對上述圍堰斷面最高擋水時期的圓弧滑動穩定，采用河海大學《土石壩穩定分析系統》分析計算。通過計算可得，本工程圍堰為5級圍堰，圍堰邊坡穩定安全系數高于1.05。

圖2 圍堰斷面圖(單位：m)

根據《水利水電工程環境保護概估算編制規程》(SL 359—2006)概算本工程環境保護投資。本工程環境保護投資包括施工期環境監測投資、環境保護臨時措施投資和獨立費用三部分。水土保持防治措施投資已列入主體工程中，施工人員噪聲、粉塵防治等勞動保護投資在工程現場經費中考慮。本工程環境保護總投資為20.04萬元，包括：環境監測投資為4.13萬元，環境保護臨時措施投資為7.21萬元，獨立費用為7.57萬元，基本預備費為1.13萬元。

從總體上來分析，本工程主要體現了有利影響，且具有長效顯著性。工程施工產生的廢水、廢氣、噪聲、固廢、臨時占壓對環境的不利影響，是短期可逆的，且在施工期采取相應的保護措施后可以減免。本工程不存在制約工程實施的環境問題，從環境角度分析，在實施有效的環境保護措施基礎上，本工程是可行的。

3 結 論

在南照電力灌溉站的拆除重建可行性分析的報告中，本次設計灌溉模取15 m3/(s·萬hm2)；設計流量為5.5 m3/s；進水池設計水位，取值為19.00 m；進水池最低運行水位，取值為17.50 m；進水池最高水位，取值為29.01 m；進水池防洪水位，取值為28.02 m；出水池設計水位，取值為29.70 m；出水池最高運行水位，取值為29.70 m；出水池最低運行水位，取值為28.80 m，等。設計凈揚程為10.7 m，最低凈揚程為5.3 m，最高凈揚程為12.2 m。選用4臺800HDB-40型潛水混流泵，采用的設計堰頂高程25.30 m。本工程環境保護總投資為20.04萬元，包括：環境監測投資為4.13萬元，環境保護臨時措施投資為7.21萬元，獨立費用為7.57萬元，基本預備費為1.13萬元。綜合分析來看，在實施有效的環境保護措施基礎上，本工程是可行的。